本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于非线性能量收集的无线信息与能量协同传输(SWIPT)系统自适应适应时隙信号接收方法。
背景技术：
在一些传统的能量受限的无线网络中，网络的寿命往往取决于网络节点的电池容量，因此节点电池能量的可持续非常重要，通常需要周期性地对电池进行充电、或者更换电池。对于工作环境恶劣的能量受限网络，其节点的电池充电或更换困难、甚至无法实现，开发无线能量传输/收集技术成为迫切需求。
SWIPT是无线信息传输与无线能量传输相结合的技术，接收端由信息接收机和能量接收机组成，使得接收机可以在不增加额外的时间以及频率资源的前提下，对同一射频信号进行信息解码(ID)的同时从中获取能量(EH)。与传统的风能、太阳能、潮汐能等依赖于气候等自然环境因而不可控的能量收集技术相比，SWIPT可提供稳定、可控、可靠的能量收集，近年来成为业界研究和关注的焦点。SWIPT系统中，接收端的能量接收与信息解码利用相同的接收信号，如何合理分配系统资源是影响系统性能的关键问题。
目前已有许多研究提出了各种关于SWIPT系统资源分配的方法，但现有的方法主要针对线性能量接收机。公开号为CN105611633A，公开日为2016年5月25日的发明专利“基于SWIPT的波束赋形方法的接收机资源分配方法”，提供了一种将波束赋形设计与SWIPT系统资源分配相结合以降低基站发送功率的方法，但是该发明针对线性能量接收机、且以基站发送最小功率为目标。公开号为CN105119644A，公开日为2015年12月2日的发明专利“基于SWIPT的单用户MIMO系统空分切换方法”提供了使用MIMO空分切换技术对SWIPT系统在能量接收和信息解码两种模式之间进行切换的方法，但是该发明同样针对的是线性能量接收机，没有考虑能量接收机的非线性。
实际的SWIPT能量接收机具有非线性的特点：当接收信号的功率增大到一定的值时，能量接收机的输出功率将达到饱和、保持不变。现有的SWIPT系统的资源分配方法，无法解决能量接收机输出功率饱和时的接收能量浪费问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于非线性能量收集的SWIPT系统自适应时隙信号接收方法。该方法采用一种基于时隙切换架构的能量收集模式，以最小化中断概率为优化目标，对信息接收机与能量接收机切换系数进行优化，旨在为SWIPT系统提供一种符合实际的资源分配方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于非线性能量收集的SWIPT系统自适应时隙信号接收方法，所述的接收方法包括下列步骤：
S1、发送端S向能量受限的接收节点D发送信号x，接收节点D将一个资源块分成K个子时隙进行接收，第k个时隙接收到的信号为：式中，1≤k≤K，hk表示第k个时隙的信道系数服从平坦衰落，Pk表示该时隙的发送信号功率，n为接收端加性高斯白噪声；
S2、定义接收节点D的信息接收机与能量接收机之间的切换系数ρ，在第k个时隙，接收节点D的信息接收机与能量接收机之间的切换系数定义为ρ(k)，在第k个时隙，最优切换系数即ρ(k)的最优取值记作ρ*(k)，接收节点D根据ρ*(k)的取值进行信息接收或者能量收集；
S3、根据所述的接收信号yrk，计算其功率值Prk＝|hk|2Pk，其中|hk|2是复信道系数hk的模，表示第k个时隙的信道功率增益；
S4、根据接收信号的功率值Prk，计算目的节点的能量接收机在第k个时隙的输入功率
S5、将能量接收机输入功率乘以η后与能量接收机的输出功率饱和值进行比较，其中，η是目的节点能量接收机的能量转换效率，若则ρ*(k)＝1，接收节点D将信号切换到信息接收机，该时隙只进行信息接收；否则，执行以下顺序步骤；
S6、以系统中断概率最小化为优化目标，切换系数ρ(k)为优化对象，定义目标函数其中是系统第k个时隙的瞬时中断概率，是ρ(k)的函数；
S7、利用拉格朗日乘子法，并结合二分搜索方法，对所述的目标函数进行求解，得到最优的信息接收机与能量接收机切换系数ρ*(k)；
S8、根据得到的每个子时隙信息接收机与能量接收机切换系数ρ*(k)的值，进行自适应时隙信号接收。
进一步地，所述的切换系数ρ(k)的取值为0或1，其中ρ(k)＝1表示该时隙接收端将信号用于信息接收，ρ(k)＝0表示该时隙接收端将信号用于能量接集。
进一步地，所述的中断概率的公式如下：其中rk＝ρ(k)log(1+γk)是系统第k个时隙的瞬时信息接收速率，r0是系统正常通信的最小信息接收速率门限值，此处为接收端在第k个时隙的信噪比，σ2是接收端的噪声功率。
进一步地，所述的步骤S7中最优的信息接收机与能量接收机切换系数ρ*(k)取值如下：
(1)当时，则ρ*(k)＝0；
(2)当时，则ρ*(k)＝1；
(3)当时，则ρ*(k)＝0；
其中λ*是最佳拉格朗日乘子。
进一步地，所述的目的节点能量接收机的能量转换效率η取值为1。
进一步地，所述的步骤S8中自适应时隙信信号接收，是指ρ*(k)＝1时，该子时隙只进行信息接收，ρ*(k)＝0时，该子时隙只进行能量收集。
进一步地，所述的接收方法针对的是SWIPT系统在点对点的无线通信场景，信道类型是平坦衰落信道，发送节点S有固定且持续的能量供应，接收节点D能量受限并且没有固定的能量供应，接收节点D的接收机由两部分组成：信息接收机和能量接收机，能量接收机从周围环境的射频信号中获取能量。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明针对非线性能量SWIPT系统在平坦衰落信道点对点通信的场景，解决SWIPT系统非线性能量接收机在某个时隙内输入信号功率饱和导致接收能量浪费的问题。
2、本发明考虑更加符合实际需要，解决非线性能量SWIPT系统接收端对资源分配粗略的问题，使非线性能量SWIPT系统将信号用于信息或能量收集分配方式更为精细，提高了非线性能量SWIPT系统接收机的工作效率。
3、本发明针对非线性能量SWIPT系统，提出根据信道状态自适应地切换收集信息或者能量。对信息接收机与能量接收机切换系数进行优化，构造的目标函数形式简单，且部分参数能根据不同场景中的不同需求进行调整，提高了应用的灵活性；目标函数的解由优化算法求得，过程简单，没有复杂的数学解析过程，易于实际操作，且能够同时对接收端获取的能量和系统的中断概率两项重要指标进行优化。
附图说明
图1是本发明的非线性能量收集SWIPT系统自适应时隙接收流程图；
图2是图1的补充流程图；
图3是本发明涉及的SWIPT系统基于时隙切换的信息或能量接收机示意图；
图4是本发明涉及的SWIPT系统非线性能量接收机能量收集模型图；
图5是本发明涉及的接收信号功率与非线性能量关系的收集示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例公开一种基于非线性能量收集的SWIPT系统自适应时隙信号接收方法，具体实施过程主要有：对信息接收机与能量接收机切换系数进行优化，根据优化结果进行自适应时隙接收信号。
在此实施例中，如图1和图2所示为非线性能量收集SWIPT系统自适应时隙接收核心步骤的流程，图3所示的本发明涉及的SWIPT系统基于时隙切换的信息或能量接收机，图4所示的本发明涉及的SWIPT系统非线性能量接收机能量收集模型，图5所示的本发明涉及的接收信号功率与非线性能量关系的收集示意图。
本实施例的实现步骤如下：
步骤S1、发送端S向能量受限的接收节点D发送信号x，接收节点D将一个资源块分成K个子时隙进行接收，第k(1≤k≤K)个时隙接收到的信号为：式中hk表示第k个时隙的信道系数服从平坦衰落，Pk表示该时隙的发送信号功率，n为接收端加性高斯白噪声。
本实施例中，一个资源块的传送时间为60s，将一个资源块分为K＝60个时隙进行接收，第k(1≤k≤60)子时隙发送信号的功率Pk＝5mw。
步骤S2、定义接收节点D的信息接收机与能量接收机之间的切换系数ρ。在第k个时隙，接收节点D的信息接收机与能量接收机之间的切换系数定义为ρ(k)。在第k时隙，最优切换系数即ρ(k)的最优取值记作ρ*(k)，接收节点D根据ρ*(k)的取值进行信息接收或者能量收集。切换系数ρ(k)的可能取值只有0和1，其中ρ(k)＝1表示该时隙接收端将信号用于信息接收，ρ(k)＝0表示该时隙接收端将信号用于能量接集。
步骤S3、根据步骤S1所述的接收信号yrk，计算其功率值Prk＝|hk|2Pk，其中|hk|2是步骤S1所述的复信道系数hk的模，表示第k个时隙的信道功率增益。
步骤S4、根据步骤S3所述的接收信号的功率值Prk，计算目的节点的能量接收机在第k个时隙的输入功率
步骤S5、将步骤S4所述的能量接收机输入功率乘以η后与能量接收机的输出功率饱和值进行比较，若则ρ*(k)＝1，接收节点D将信号切换到信息接收机，该时隙只进行信息接收；否则，执行以下顺序步骤。所述的η是目的节点能量接收机的能量转换效率，本发明中η＝1，能量接收机的输出功率饱和值
步骤S6、以系统中断概率最小化为优化目标，切换系数ρ(k)为优化对象，定义目标函数其中是系统第k个时隙的瞬时中断概率，是ρ(k)的函数。实施例中，中断概率由式给出。其中rk＝ρ(k)log(1+γk)是系统第k个时隙的瞬时信息接收速率，r0＝1.61bits/s/Hz是系统正常通信的最小信息接收速率门限值，此处为接收端在第k个时隙的信噪比，σ2＝0.5mw是接收端的噪声功率。
步骤S7、利用拉格朗日乘子法，并结合二分搜索方法，对步骤S6所述的目标函数进行求解。所求得的最优拉格朗日乘子的值为λ*＝0.32；最优的信息接收机与能量接收机切换系数ρ*(k)(1≤k≤K)的值如下：
(1)当时，则ρ*(k)＝0；
(2)当时，则ρ*(k)＝1；
(3)当时，则ρ*(k)＝0。
步骤S8、根据步骤S4和步骤S7所述，得到的每个子时隙信息接收机与能量接收机切换系数ρ*(k)的值，进行自适应时隙信号接收。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。